Dependence of Current Inverter Critical Frequencies on its Load Parameters

---

2023 International Russian Smart Industry Conference (SmartIndustryCon) 
978-1-6654-6429-1/23/$31.00 ©2023 IEEE
Dependence of Current Inverter Critical 
Frequencies on its Load Parameters 
Shukhrat Umarov 
Department of Electro mechanics and 
Electrotechnology 
Tashkent State Technical University
Tashkent, Uzbekistan 
[e-mail] 
Abstract
—The paper presents the results of the study of the 
scheme of autonomous current inverter with cut-off diodes (ACI 
with CD) when working on an active-inductive load in terms of 
identifying its properties, energy characteristics and comparing 
the scheme with the traditional parallel current inverter with 
capacitive switching without additional gates. In this paper the 
results of critical frequency dependence on discharge circuit 
parameters including active-inductive load, intermediate 
transformer and commutating capacitor on the example of single-
phase circuit (ACI with CD) are presented. It is found that the 
main factors that determine the critical frequency are: the value 
of switching capacitance, type and size of the load, load power 
factor. It is shown that with decrease of commutating capacitance 
value and load power factor (with active-inductive load) critical 
frequency has increasing character. Analytical expressions for 
currents and voltages of ACI with CD, which fully reflect 
electromagnetic processes occurring in the circuit, are presented. 
Keywords—autonomous current inverter, active-inductive load, 
commutating capacitor, load power factor 
I. I
NTRODUCTION
Given that the operating frequency boundaries of 
autonomous current inverters (ACI) is associated primarily 
with the processes of opening and closing of power thyristors, 
which occur depending on the value of the energy that has been 
stored on the switching capacitor during the previous half-period 
of the inverter circuit. All inverter units operating in the region 
of negative lead angles between current and load voltage can 
deliver active and reactive power. Traditional parallel ACI does 
not work in the region of negative lead angles, although it can 
deliver reactive power to the AC network when the capacitance 
value in the region of positive lead angles is relatively high, but 
it tilts when the switching capacitor capacitance value is small 
[1–4]. 
When the ACI with CD is operated with a frequency greater 
than the critical frequency ƒ > ƒ
к
, the voltage on the 
commutating capacitor coils will never reach its possible 
maximum value. This is due to the premature opening of the 
controlled valve for each half period before the switching 
capacitor is fully charged to its possible maximum voltage. 
At the same time, it should be taken into account that the 
value of this energy in some cases will be less than required to 
ensure the closure of the active (conducting current) power 
thyristors. As a result, there is a switching failure of the inverter. 
Therefore, this frequency value determines the range of opening 
and closing of power thyristors within the switching stability of 
the current inverter circuit. This frequency value in is called a 
critical frequency and depends, respectively, on the duration of 
processes in the switching power capacitor ACI [4]. 
II. METHOD
To reduce the operating frequency, there are a number of 
methods based on cutting off the charging circuit after switching 
the gates in order to save the energy of the capacitor from further 
discharge. The main cutoff element in the discharge circuit are 
gates (diodes), which are called cutoff diodes [1–4]. Fig. 1 
shows a diagram of a single-phase parallel ACI, and Fig. 2 shows 
a diagram of a single-phase parallel ACI with cutoff diodes (ACI 
with CD). 
This paper presents the results of a study of the dependence 
of the critical frequency on the parameters of the discharge 
circuit including an active-inductive load, an intermediate 
transformer, and a switching capacitor by the example of a 
single-phase circuit (ACI with CD). 
Analysis of electromagnetic processes occurring in single-
phase thyristor AITs was carried out for loads having active-
inductive character [5–7]. The chosen type of R, L load is 
caused by the fact that in the basis of all frequency-controlled 
electric drives based on induction motors single-phase thyristor 
inverters are widely used. It should be noted that as the load of 
such system is used induction motor of different configuration. 
Equivalent motor substitution diagram is presented in the form 
of R, L load. [8, 9]. In the inverter motor (capacitive commutated 
inverter - asynchronous motor) such modes correspond to a 
range of low frequencies at which it is most difficult to ensure 
normal commutation of valve current, and therefore requires a 
significant increase in the capacity of commutating capacitors 
[10]. The bulky capacitor bank required for an inverter motor 
appears to be the most significant obstacle to its introduction into 
the field of electric propulsion. 
We adhere to generally accepted assumptions: the closing 
and opening of the valves is instantaneous and the input current 
has a constant, continuous character [3, 11]. 
Traditional parallel ACI with capacitive switching (which 
we hereinafter denote as ACI without CD - inverter without 
cutoff diodes (Fig. 1) have a number of drawbacks: strongly 
falling external characteristic, very limited stability, lack of 
ability to operate at low frequencies due to the discharge of 
capacitors through parallel circuits; inability to operate in the 
644
2023 International Russian Smart Industry Conference (SmartIndustryCon) | 978-1-6654-6429-1/23/$31.00 ©2023 IEEE | DOI: 10.1109/SmartIndustryCon57312.2023.10110751
Authorized licensed use limited to: IEEE Customer Ops and Contact Center Staff. Downloaded on May 25,2023 at 18:05:48 UTC from IEEE Xplore. Restrictions apply. 

---

2023 International Russian Smart Industry Conference (SmartIndustryCon) 
area of negative lead angles. In addition, it is difficult to regulate 
the rotation speed of induction motors supplied by the inverter 
within a very wide range [1, 3]. 
Meanwhile, smooth starting and a wide speed control range 
of motors play an important role in many industries. Particularly 
for electric traction conditions, starting and overload modes are 
very important when the motor has to operate at low speeds. 
Parallel autonomous current inverter 
Parallel autonomous current inverter with cutoff diodes 
Fig. 2 shows a schematic diagram of a single-phase ACI with